1、第6章 现场总线技术概述,现场总线（Fieldbus）是20世纪90年代发展形成的。用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化、家庭自动化等领域的现场设备互连的通信网络。是现场通信网络与控制系统的集成，并由此产生新一代的现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的现场局域网。,一、总线的分类二、现场总线的定义和分类三、现场总线控制系统FCS的体系结构四、现场总线控制系统的技术特点五、FCS与DCS的比较六、现场总线通信协议模型七、现场总线的国际标准八、几种典型的现场总线九、现场总线的现状,总线（bus）的概
2、念由来已久，仪器仪表与计算机控制系统数字通信用的总线有很多种。总线按其长度分类： 1毫米级:芯片内总线； 2分米级:机箱内总线，如Multi-bus，STD，PCL，ISA，NIM，CAMAC等； 3十米级:机柜间总线，如RS232-RS530，GPIB，Fast-bus，VME，VXI等； 4千米级:现场总线，如FF，Profibus，WorldFIP等。,一、总线的分类,返回,现场总线(Fieldbus)：是用于过程自动化或制造自动化中的，实现智能化现场设备（例如，变送器、执行器、控制器)与高层设备(例如主机、网关、人机接口设备)之间互联的，全数字、串行、双向的通信系统。通过它可以实现跨网
3、络的分布式控制。按照国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义:现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。,1. 定义,二、现场总线的定义和分类,智能仪表是导致控制体系结构发生根本性变化的关键因素。1151智能压力变送器的功能：采集差压和温度信号、单位转换、非线性补偿、流速和流量计算、测量数据越限报警、数据通信、回路控制等。 组成 ：（1）智能仪表、控制器（2）现场总线线路（3）监控、组态计算机。现场总线网卡、通信协议软件是现场总线控制系统的基础和神经中枢。,现场总线控制系统的组成,（1）按其传送数据的通信宽度来分: 传感器总线 (sensor b
4、us)：数据宽度为位 (bit)，如AS-i和Seriplex等； 设备总线 (device bus)：数据宽度为字节 (byte)，如Interbus和Device Net等； 全服务的现场总线（fieldbus）：数据宽度为数据流或模块 (block)。以报文通信为主，除了对装置进行读取数据外，还包括一些对装置的操作和控制功能。如FF总线、Lonworks总线、Hart总线等。,2.分类,（2）按应用的行业来分: 过程控制 (连续生产过程)用现场总线，如FF的H1、Profibus PA等； 离散控制用现场总线，如Profibus DP、Device Net等； 楼宇自动化用现场总线，如L
5、on Works等； 车辆制造业用现场总线，如CAN等； 飞机制造业用现场总线，如Swift Net等； 农业及养殖业用现场总线，如P-Net等。 返回,三、现场总线控制系统的体系结构,可以把FCS分为三类:一类是由现场设备和人机接口组成的两层结构的FCS；一类是由现场设备、控制站和人机接口组成的三层结构的FCS；一类是由DCS扩充了现场总线接口模件所构成的FCS。（一）具有两层结构的FCS,（二）具有三层结构的FCS,（三）由DCS扩充而成的现场总线控制系统 在DCS系统的I/O总线上挂接现场总线接口模件，通过现场总线接口模件扩展出若干条现场总线，然后经现场总线与现场智能设备相连。,返回,现
6、场总线是现场仪表所采用的双向数字通信方式，将取代当今现场仪表广泛采用的420mA标准模拟通信方式。1开放性FCS的现场总线的技术与标准是公开的，而DCS的制造厂商的技术与标准则是各有各的专利，彼此封锁。2全数字化DCS的主机虽然是数字的，但现场仪表则还是利用了模拟技术，属于模拟仪表，因此DCS是一个数模混合的系统；而FCS则是一个全数字化的系统。,四、现场总线控制系统的技术特点,3双向通信,4.互可操作性与互用性 互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同制造商性能类似的设备可进行更换，实现相互替换。,5.现场设备的智能化与功能自治性 它将传感测量、补偿计算、工
7、程量处理与控制等功能分散到现场总线设备中完成，仅靠现场总线设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。6.系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。7.对现场环境的适应性 作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等多种传输介质，具有较强的抗干扰能力，采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求。,返回,FCS相对于DCS具有如下优越性：1FCS实现全数字化通信,五、FCS与DCS的比较,
8、2FCS实现彻底的全分散式控制,3FCS实现不同厂商产品互联、互操作4FCS增强系统的可靠性、可维护性5FCS降低系统工程成本,返回,返回,六、现场总线通信协议模型,返回,六、现场总线通信协议模型,为满足实时性、快速性的要求，实现低成本，现场总线通讯模型采用简化的OSI模型。采用OSI模型中的三个典型层：物理层、数据链路层和应用层，在省去中间3-6层后，考虑现场总线的通信特点，设置一个现场总线访问子层。它具有结构简单、执行协议直观、价格低廉等优点，也满足工业现场应用的性能要求。总之，开放系统互连模型是现场总线技术的基础，现场总线参考模型既要遵循开放系统集成的原则，又要充分兼顾测控应用的特点和特
9、殊要求。目前世界有影响的几种现场总线技术，都以国际标准组织的开放系统互连模型作为基本框架，并根据行业的应用需要施加某些特殊规定后形成的标准，在较大范围内取得了用户与制造商的认可。,(一)制订标准的机构世界上制订国际标准的机构3个：国际标准化组织ISO(International Standard Organization) 国际电工委员会IEC(International Electrotechnical Commission)国际电信联盟ITU。另外还有欧洲电工标准化委员会CENELEC，制订欧洲标准EN。国家标准化委员会各国都有制订国家标准的组织，我国制订国家标准GB的组织是全国标准化委员
10、会。制订现场总线标准的机构IEC/TC65/SC65C/WC6,七、现场总线的国际标准,（二）现有的现场总线国际标准IEC61158 (IEC/TC65/SC65C/WC6制定) 测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线，由以下6部分组成： 第1部分:导则； 第2部分:物理层规范和服务定义； 第3部分:数据链路层服务定义； 第4部分:数据链路层协议规范； 第5部分:应用服务定义； 第6部分:应用层协议规范。,IEC61158目前包括10种技术类型，其中类型9与类型10是后来加的。类型1：IEC技术报告 (即相当于FF的H1，美国Fisher-Rosemount公司支持)；类型2：Contr
11、ol Net(美国Rockwell公司支持)；类型3：Profibus(德国Siemens公司支持)；类型4: P-Net(丹麦Process Data公司支持)；类型5: FF HSE(High Speed Ethernet 美国 Fisher-Rosemount公司支持)；类型6: Swift Net(美波音公司支持)；类型7: World FIP(法国Alstom公司支持)；类型8: Interbus(德国Phoenix Contact公司支持)；类型9: FF应用层 (Application Layer)；类型10: Profinet。,IEC62026 (IEC/TCl7/SCl7B
12、)IIEC62026 共有4种现场总线。即 AS-i、DeviceNet、SDS及 Seriplex这4种国际标准，包括5个部分。(1)第1部分:总则 。(2)第2部分: AS-i(Actuator Sensor Interface执行器传感器接口，德国Siemens等公司支持) 。(3)第3部分：Device Net(美国Rockwel1公司支持)。 (4)第4部分: SDS(Smart Distributed System灵巧式分散型系统，美国Honeywe11公司支持)。(5)第5部分：Seriplex(串联多路控制总线 )。,ISO11898与ISO11519 CAN ISO11898
13、 (lMbit/s) CAN ISO11519 (125Kbit/s) CAN由德国Robert Bosch公司支持，还由IEC/TC22分管电力电子的分技术委员会列为国际标准。现场总线的国际标准共有12种 IEC61158有7种，IEC62026有4种再加上ISO的CAN 1种，有12种，至于Lonworks则仅是美国ANSI国家标准。,返回,（一） CANCAN：控制局域网络 (Control Area Network) 德国Bosch公司推出、最早用于汽车内部监测部件与控制部件的数据通信网络。现在己经逐步应用到其他控制领域。成为ISO11898标准。CAN协议是建立在ISO/OSI模型基
14、础上的，采用了OSI底层的物理层、数据链路层和高层的应用层。信号传输介质为双绞线。最高通信速率为lMbps(通信距离40m)，最远通信距离可达l0km(通信速率为5kbps)，节点总数可达110个.CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输的时间短，受干扰的概率低，每帧信息均有CRC校验和其他检错措施，通信误码率极低。,八、几种典型的现场总线,（二）LonWorksLonWorks：局部操作网络 (Local Operating Network)。由美国Echelon公司研制、于1990年正式公布。采用ISO/OSI模型中完整的七层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过
15、网络变量把网络通信设计简化为参数设置最高通信速率 1.25Mbps(通信距离不超过13Om)，最远通信距离为27000m(通信速率为78kbps)，节点总数达32000个网络传输介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等。信号传输采用可变长帧结构。每帧的有效字节可由0288个。采用的Lon Talk通信协议被封装在Neuron神经元芯片中。,（三）PROFIBUSPROFIBUS:过程现场总线(Process Field Bus) 。德国国家标准DIN 19245和欧洲标准EN 50170规定的现场总线标准。由三个兼容部分组成:PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PR
16、OFIBUS-FMS。PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信系统。按照 ISO/OSI参考模型定义了物理层、数据链路层和用户接口；PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，可使变送器与执行器连接在一根总线上，提供本质安全和总线供电特性。PA采用扩展的PROFIBUS-DP协议，还有现场设备描述的PA行规；PROFIBUS-FMS根据ISO/OSI参考模型定义了物理层、链路层和应用层，其中应用层包含了现场总线报文规范FMS(Field bus Message Specification)和低层接口LLI(Lower Layer Interface).,最高通信速率12Mbps(通信距离不超过
17、1OOm)，最大通信距离为1200m(通信速率为9.6kbps)。如采用中继器可延长至1Okm.传输介质可以是双绞线或光缆。每个网络可挂32个节点，如带中继器，最多可挂127个节点。PROFIBUS采用定长或可变长帧结构，定长帧一般为8字节，可变长帧每帧的有效字节数为1244个。,（四）WorldFIPWorldFIP:世界工厂仪表协议(World Factory Instrument Protocol)。WorldFIP协议按照ISO/OSI参考模型定义了物理层、数据链路层和应用层。采用有调度的总线访问控制。通信速率分别为31.35kbps、lMbps、2.5Mbps，对应的最大通信距离分别
18、为5000m、10OOm、500m；通信介质为双绞线。如果采用光纤，其最大通信距离可达40km。每段现场总线的最大节点数为32个，使用分线盒可连接256个节点。整个网络最多可使用3个中继器，连接4个网段。采用可变长帧结构，每帧的最大字节数为256个。适合于包括TCP/IP在内的各种类型的协议数据单元。,(五) HARTHART：可寻址远程传感器数据通路(Highway Addressable Remote Transducer) 。最早由Rosemount公司开发，得到80多家仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。协议参考了ISO/OSI参考模型的物理层、数据链路层和应用层。主
19、要特点：采用基于Bell 202通信标准的频移键控FSK技术。通信速率为12OObps，单台设备的最大通信距离为30OOm，多台设备互连的最大通信距离为1500m.通信介质为双绞线，最大节点数为15个。HART采用可变长帧结构，每帧最长为25个字节，寻址范围为015。,（六）FFFF:现场总线基金会(Field bus Foundation)。FF以ISO/OSI参考模型为基础，取其物理层、链路层和应用层为FF通信模型的相应层次，并在此基础上增加了用户层。FF分为低速现场总线和高速现场总线两种通信速率。低速现场总线Hl的传输速率为31.25kbps，高速现场总线HSE的传输速率为10OMbps
20、。Hl支持总线供电和本质安全特性。最大通信距离为1900m(如果加中继器可延长至9500m)，最多可直接连接32个节点(非总线供电)、13个节点(总线供电)、6个节点(本质安全要求)。如果加中继器最多可连接240个节点。通信介质为双绞线、光缆或无线电。FF采用可变长帧结构，每帧的有效字节数为0251个。,返回,（1）多种总线共存（2）每种总线各有其应用领域（3）每种总线各有其国际组织（4）每种总线均有其支持背景,九、现场总线的现状,（5）设备制造商参加多个总线组织（6）多种总线均作为国家和地区标准（7）协调共存（8）工业以太网引入工业领域,（1）多标准共存与现场总线的开放性相背离 一般认为DC
21、S和PLC属于封闭性系统，而FCS是开放性系统，所以它一出现就受到用户的肯定。但实际上FCS的开放性是针对自己来说是开放的，异种现场总线之间却不是开放的。因此，多种标准现场总线的共存使得现场总线事实上并不具备开放性的特点。,多种现场总线标准并存带来的问题,（2）多标准共存难以体现现场总线的互操作性 现场设备种类繁多，一个制作商不可能提供生产过程的全部设备，同时，用户也不希望受制于某一个制作商。现场总线的主要特点之一互可操作性无疑受到用户青睐，但现有的10种现场总线国际标准中，不同种类的现场级现场总线之间是不能进行互操作的。虽说可以通过网关（Gateway）通信或通过OPC协议进行互操作，但这种
22、互操作不能直接在现场仪表间进行，而且不能满足系统对实时性的要求。,（3）现场总线的局限性 过程控制层PCS（Process Control System）包含了现场总线；中间的制造执行层MES（Manufacturing Execution System）主要用于监控、优化和调度，在管控一体化中起到承上启下的作用；最上层是企业资源规划管理层ERP（Enterprise Resource Planning）用于企业的计划、销售、库存、财务、人事及企业的经营、管理和决策等。,流程工业综合自动化技术的总体结构,基础自动化系统,实时监控软件,生产过程管理与优化,综合集成软件,企业资源管理,PCS,MES,ERP,（4）多标准共存阻碍现场总线技术的推广 目前的现场总线国际标准IEC61158 Ed3规定中7类经典现场总线，它们各具特点，但又都有不足之处，没有一种能覆盖所有的应用范围。因此，可以说多标准形同无标准，在这种情况给仪表制造商、设计部门和用户带来了很大不便。用户要随时注意国际上各种现场总线及相关技术的动态，承担着由国际标准的变化给用户带来的风险，这种态势使得一些打算进行技术改造的企业处于观望状态，这样势必影响现场总线技术的推广。,返回,1.现场总线的定义？2.现场总线系统的技术特点？3.现场总线系统与分布式控制系统相比，其优势是什么？,第 6 章 习 题,
